圧電体薄膜素子及びこれを用いた超音波センサ、並びにその製造方法
【課題】高感度で、かつ、サイズの小さい圧電体薄膜素子及びこれを用いた超音波センサ、並びにその製造方法を提供する。
【解決手段】対向電極（120,122）を備えた圧電体膜(122)は、凹部（114）を有する基板（112）に支持されている。このダイアフラム構造において、凹部（114）の位置に対応する変位可能部位の対向電極（120,122）及び圧電体膜（122）を除いたダイアフラム部の厚みを０以上１μｍ以下とする。より好ましくは、ダイアフラム部を圧電体膜(122)と対向電極(120,122)のみで構成する。クラック防止の観点から、圧電体膜(122)の厚みは１μｍを超えることが好ましい。圧電体膜(122)は、ＰＺＴ系材料であって、Ｐｂ量（或いはＡサイトの材料）が1.0以上1.1未満であることが好ましく、Ｎｂを２％以上含むことが好ましい。製造時には圧電体膜（120）を表面保護部材（150）で覆い、機械的衝撃から保護する。
【解決手段】対向電極（120,122）を備えた圧電体膜(122)は、凹部（114）を有する基板（112）に支持されている。このダイアフラム構造において、凹部（114）の位置に対応する変位可能部位の対向電極（120,122）及び圧電体膜（122）を除いたダイアフラム部の厚みを０以上１μｍ以下とする。より好ましくは、ダイアフラム部を圧電体膜(122)と対向電極(120,122)のみで構成する。クラック防止の観点から、圧電体膜(122)の厚みは１μｍを超えることが好ましい。圧電体膜(122)は、ＰＺＴ系材料であって、Ｐｂ量（或いはＡサイトの材料）が1.0以上1.1未満であることが好ましく、Ｎｂを２％以上含むことが好ましい。製造時には圧電体膜（120）を表面保護部材（150）で覆い、機械的衝撃から保護する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は圧電体薄膜素子に係り、特に圧電体薄膜を利用したダイアフラム型の薄膜素子、及びこれを用いた超音波センサ並びにその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、シリコン基板上に形成されるカンチレバー方式の超音波センサが開示されている。この超音波センサは、カンチレバーの基端部がシリコン基板の凹部の二辺と連結されており、基端部にかかる応力の分散により、カンチレバーの破損防止、歩留まり向上が図られている。
【０００３】
特許文献２には、シリコン基板上にダイアフラム構造の超音波受信素子を複数配置してなる圧電型超音波センサが開示されている。この構造は、超音波受信部の圧電体膜の全方位（四辺）が基板に固定されているため、超音波を受信して圧電体膜に圧力が加わったときに、大きな変位が得られにくく、圧電体膜から大きな電圧（検知信号）を得ることが難しい。そのため、通常は、ダイアフラムのサイズ（面積）を大きくすることで、感度を確保する必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許３２７２１４１号公報
【特許文献２】特許４２２８８２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一般に、ダイアフラム型センサの感度は、ダイアフラムの面積の２乗に比例し、ダイアフラムの厚みの３乗に反比例する。矩形ダイアフラムの場合、以下の関係式で表される。
【０００６】
（感度）∝（ダイアフラムの１辺）４／（ダイアフラムの厚み）３
感度をアップさせるためにダイアフラムの１辺を大きくすると、撓み（変位）が大きくなり、感度は向上するが、素子のサイズが大きくなってしまう。また、高感度化するためには、ダイアフラムの厚みを低減させることが必要となるが、単にダイアフラムを薄くするだけでは、クラック等の発生の問題があり、信頼性や製造歩留まりが低下する。
【０００７】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、高感度で、かつ、サイズの小さい圧電体薄膜素子及びこれを用いた超音波センサ、並びにその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記目的を達成するために以下の発明態様を提供する。
【０００９】
（発明１）：発明１に係る圧電体薄膜素子は、圧電体膜と、前記圧電体膜を挟んで該圧電体膜の両側に配設される対向電極と、前記対向電極を備えた前記圧電体膜を支持する基板と、前記基板上に設けられた前記圧電体膜の変位可能部位に対応して、前記基板の当該対応位置に形成された凹部と、を備え、前記変位可能部位の前記対向電極及び前記圧電体膜を含んで構成されるダイアフラム部から前記対向電極及び前記圧電体膜を除いた残部分の厚みが０以上１μｍ以下であることを特徴とする。
【００１０】
本発明によれば、ダイアフラム型の圧電体薄膜素子において、基板に形成された凹部に対応した変位可能な膜部分（ダイアフラム部）について、対向電極及び圧電体膜以外の膜要素が存在しないか（残部分の厚みがゼロ）、或いは、実質的に変位性能に影響しない程度の厚み（１μｍ以下）の層しか存在しない。
【００１１】
つまり、従来、圧電体膜を保持する機能を有した「振動板」に相当する部材要素が存在しない。したがって、本発明の圧電体膜は、その動き（変位）が阻害・抑制されることなく、大きな変位が得られる。これにより、大きな出力電圧を得ることができ、感度の高い、小サイズのセンサを実現できる。
【００１２】
（発明２）：発明２に係る圧電体薄膜素子は、発明１において、前記ダイアフラム部は、実質的に前記圧電体膜と前記対向電極のみで構成されている自立膜であることを特徴とする。
【００１３】
「実質的に」とは、圧電体膜の変位を阻害・抑制する影響力が殆どないような膜要素の有無は問題にしないという意味である。例えば、製造工程においてエッチングストッパー層として利用した酸化膜の残存部、或いは、対向電極の上に島状のパターンで付加された膜片などは、振動板として実質機能しない。したがって、これら酸化膜や膜片が存在していても、実質的に自立膜であると解釈する。
【００１４】
（発明３）：発明３に係る圧電体薄膜素子は、発明１において、前記残部分は、前記基板の材料の熱酸化膜であることを特徴とする。
【００１５】
（発明４）：発明４に係る圧電体薄膜素子は、発明１乃至３のいずれか１項において、
前記残部分の有無による前記圧電体膜の変位量の差が５％以下であることを特徴とする。
【００１６】
ダイアフラム部が、圧電体膜と対向電極のみで構成された自立膜である場合（残存部が無い場合）に、ある規定の圧力に対する変位量を基準変位量とし、圧電体膜及び対向電極以外の要素が存在する場合（残部分が有る場合）の同規定圧力に対する変位量を比較したとき、その変位量の差が基準変位量に対して５％以下である場合には、実質的に影響しない程度であるとして取り扱うことができる。
【００１７】
（発明５）：発明５に係る圧電体薄膜素子は、発明１乃至４のいずれか１項において、前記圧電体膜の厚みが１μｍを超えるものであることを特徴とする。
【００１８】
圧電体膜が薄すぎると、クラックが発生しやすくなるため、１μmを超える厚みであることが好ましい。より好ましくは２μm以上、さらに好ましくは３μm以上である。
【００１９】
（発明６）：発明６に係る圧電体薄膜素子は、発明１乃至５のいずれか１項において、前記圧電体膜がＰＺＴ系のペロブスカイト型酸化物であり、ＡＢＯ３型の結晶構造におけるＡサイトに入る材料の組成比が１．０以上、１．１未満であることを特徴とする。
【００２０】
Ａサイトに入る材料（例えば主としてＰｂであるが、ＢｉなどＡサイトに置換されている材料も含む）が少ないと、圧電体膜の表面が荒れてクラックが入りやすい傾向にある。
【００２１】
その一方、Ａサイトの材料のモル比が１．１以上あると、湿度等によって特性が変化してしまう可能性がある。よって、発明６に記載の条件が好ましい。
【００２２】
（発明７）：発明７に係る圧電体薄膜素子は、発明１乃至６のいずれか１項において、前記圧電体膜がＰＺＴ系のペロブスカイト型酸化物であり、Ｎｂを２％以上含むことを特徴とする。
【００２３】
Ｎｂ量が多くなると、圧電定数が大きくなる傾向にある。また、Ｎｂを添加することにより、Ｎｂを添加しないものと比較して材料のヤング率が下がるため、クラックが発生しに難くなる。
【００２４】
（発明８）：発明８に係る圧電体薄膜素子は、発明１乃至７のいずれか１項において、前記基板に複数の前記凹部が形成され、各凹部に対応した前記ダイアフラム部が複数形成されていることを特徴とする。
【００２５】
本発明の圧電体薄膜素子は、１つの基板に複数のダイアフラム構造をアレイ状に形成することができ、小型かつ高感度のアレイ型のセンサを実現することができる。
【００２６】
（発明９）：発明９は前記目的を達成する超音波センサを提供する。すなわち、発明９に係る超音波センサは、発明１乃至８のいずれか１項に記載の圧電体薄膜素子の前記変位可能部位に超音波を受け、前記圧電体膜の変位に応じて発生する電圧の信号を前記対向電極から得ることを特徴とする。
【００２７】
（発明１０）：発明１０は前記目的を達成する製造方法を提供する。すなわち、発明１０に係る圧電体薄膜素子の製造方法は、基板の第１面上に第１電極、圧電体膜及び第２電極を重ねて形成する工程と、前記第１電極、圧電体膜及び第２電極を形成した前記基板の前記第１面側の上を覆う表面保護部材を前記基板に接合する工程と、前記表面保護部材を接合した前記基板の前記第１面と反対側の第２面側から当該基板をエッチングして凹部を形成する工程と、前記凹部を形成した後に前記表面保護部材を除去する工程と、を含むことを特徴とする。
【００２８】
発明１０によれば、発明１乃至８の圧電体薄膜素子や発明９の超音波センサを製造することができる。特に、表面保護部材によって圧電体膜を機械的な衝撃から保護することができ、製造時の破損等を防止できるとともに、基板のハンドリング性が向上し、製造効率が高まる。なお、第１電極と第２電極は発明１等でいう「対向電極」に相当する。
【００２９】
（発明１１）：発明１１に係る圧電体薄膜素子の製造方法は、発明１０において、前記基板の第１面には熱酸化膜が形成されており、前記第１電極は前記熱酸化膜に重ねて形成され、前記エッチングの際に前記熱酸化膜がストッパー層となることを特徴とする。
【００３０】
（発明１２）：発明１２に係る圧電体薄膜素子の製造方法は、発明１１において、前記凹部に前記熱酸化膜が残されたダイアフラム構造を有する圧電体薄膜素子を得ることを特徴とする。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、小型かつ高感度な圧電体薄膜素子を提供することができる。また、本発明によれば、高感度でありながらサイズの小さい超音波センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施形態に係る圧電体薄膜素子を用いたダイアフラム型センサの断面図
【図２】図１の平面図
【図３】ダイアフラムが電極と圧電体のみからなる自立膜である構成例を示す断面図
【図４】ダイアフラム型センサの製造プロセスの説明図
【図５】比較例のセンサ構造を示す断面図
【図６】シミュレーションの計算に用いたダイアフラム構造の斜視図
【図７】図６の平面図
【図８】シミュレーションにより、振動板の厚みを変化させてダイアフラムの共振周波数と出力電圧を計算した結果を示すグラフ
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、添付図面に従って本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００３４】
図１は本発明の実施形態に係る圧電体薄膜素子を用いたダイアフラム型センサの断面図、図２はその平面図である。なお、図１は図２中の１−１線に沿う断面図となっている。ここでは、１つの素子要素のみを示したが、同構造の素子が基板上に複数個配列されたアレイ状のセンサが構成される。
【００３５】
＜センサの構造について＞
このダイアフラム型センサ１０は、基板１２の片側面（図１において上面、以下「表面」という場合がある。）に、下部電極２０、圧電体膜２２、上部電極２４が積層形成された構成を有する。圧電体膜２２を挟んで下部電極２０と上部電極２４とが対向して配置された構成により、圧電体膜２２の変位を電圧信号に変換する圧電素子２６が形成される。
【００３６】
一方、基板１２には、圧電素子２６が形成されている面と反対側の面（図１において下面、以下「裏面」という場合がある。）から当該基板１２の一部が除去されてなる凹部１４が形成されている。
【００３７】
本例の凹部１４は、平面視で略矩形（本例では正方形とした）であるが、矩形に限らず、他の多角形、円形、楕円形なども可能である。凹部１４の空隙部の位置に対応した圧電体膜２２の部分（符号２８）は、その下面が拘束されていない状態（非拘束）となり、変位可能な領域となる。符号２８で示した非拘束領域が「変位可能部位」に相当し、超音波センサとして超音波を受信する受信部要素となる。
【００３８】
下部電極２０は、基板１２上の複数の素子について一体的に繋がった共通電極として構成される。上部電極２４は、各素子の凹部１４に合わせて個別にパターニングされている。圧電体膜２２が変位すると、その歪み変形に応じて電圧が発生する。圧電体膜２２が図１の下方に撓むと、真ん中付近では圧縮方向に応力がかかり、端の方（拘束部に近い周辺部）では伸びる方向に応力がかかる。したがって、上部電極２４は、ダイアフラムの全面に形成するよりはむしろ、真ん中付近のみ、或いは、端の部分のみに設ける構成が好ましい。
【００３９】
本例（図１、図２）では、凹部１４の開口形状（ダイアフラムの平面形状）の中心部分に、その開口面積（ダイアフラムの面積）よりも小さい面積の上部電極２４が形成されている。なお、図１、図２では、配線のための引き出し電極等の図示は省略した。
【００４０】
本実施形態によるダイアフラム型センサ１０は、凹部１４に対応した変位可能部位２８において、圧電体膜２２の下面を保持するための振動板に相当する部材要素を有していない。図１において、下部電極２０の下面に形成されている符号３０で示した膜は、基板１２の熱酸化膜である。この熱酸化膜３０は、製造プロセスにおいて基板１２をエッチングして凹部１４を形成した際にエッチングストッパー層として用いられたものである。熱酸化膜３０の厚みは０．１μｍ（１００ｎｍ）程度であり、振動板として実質機能せず、圧電体膜２２の変位に殆ど影響しない。
【００４１】
圧電体膜２２の変位を阻害・抑制しないという観点から、圧電体膜２２と電極（２０，２４）を除いたダイアフラム部の厚み（「残部分」に相当）を１μｍ未満とする。好ましくは０．５μｍ以下、さらに好ましくは０．１μｍ以下、より好ましくは０「ゼロ」とする。
【００４２】
残部分の厚みが０「ゼロ」というのは、図３に示すように、ダイアフラムが電極（２０，２２）と圧電体膜２２のみの自立膜であることを意味している。図３に示した構成が最も好ましい。
【００４３】
また、圧電体膜２２は、クラック防止の観点から、厚みを１μｍよりも厚くすることが好ましい。
【００４４】
＜圧電体の物性について＞
圧電体膜２２は、ＰＺＴ系とし、Ｐｂ量を１．０以上、１．１未満とする。Ｐｂが少ないと膜の表面が荒れてクラックが入りやすいためのである。なお、Ｐｂが１．０以下であっても、Ｂｉ等のＡサイトに置換されている材料があればよい。また、Ｐｂが１．１以上あると、温度等によって特性が変化してしまう可能性があるため、１．１未満とすることが好ましい。
【００４５】
圧電体材料においてＰＺＴに少なくともＮｂが２％以上、より好ましくは５％以上、さらに好ましくは、１０％以上であることが好ましい。Ｎｂ量を増やすと、圧電定数が大きくなる。また、Ｎｂを添加することによってヤング率が下がり、クラックに対して強い膜となる。例えば、Ｎｂを添加しない材料のヤング率は７０〜９０ＧＰａであるのに対し、Ｎｂを添加することにより、５０ＧＰａ程度となる。
【００４６】
超音波センサとして好適なダイアフラム構造上の共振周波数を考慮すると、圧電体のヤング率が６０ＧＰａ以下であることが好ましい。
【００４７】
＜製造方法について＞
図４は本発明の実施形態に係る圧電体薄膜素子を用いたダイアフラム型センサの製造プロセスを示す図である。
【００４８】
（工程１）：基板表面に熱酸化膜（ＳｉＯ２膜）１３０が所定厚（例えば、１００ｎｍ）形成されたシリコン（Ｓｉ）ウエハ１１２を基板として用いた（図４（ａ））。
【００４９】
（工程２）：このＳｉウエハ１１２の片側面（図４において上面）に下部電極１２０としてＴｉ２０ｎｍとＩｒ１５０ｎｍを積層形成した。その後、当該下部電極１２０の上にＮｂを１０％添加したＰＺＴ膜１２２を５００度の成膜温度で形成した（図４（ｂ））。ＰＺＴ膜１２２の膜厚は３μｍとした。さらに、このＰＺＴ膜１２２２の上面に、上部電極１２４としてＰｔを形成し、所望の構造にパターニングした。上部電極１２４の膜厚は、下部電極１２０と同程度の膜厚とし、超音波受光部となるダイアフラム部の平面形状、並びに配列形態に合わせて上部電極１２４がパターニングされる。
【００５０】
（工程３）：次に、図４（ｃ）に示すように、ＰＺＴ膜１２２の上面に、表面保護部材１５０を貼り付けた。この表面保護部材１５０は、ＰＺＴ膜１２２の上面との間に空隙１５２を形成しつつ、ＰＺＴ膜１２２の上面を覆うキャップ状の構造を有する。表面保護部材１５０によってＰＺＴ膜１２２の上部を包囲することにより、後述のエッチング工程（図４（ｄ））の最中やエッチング後において、ＰＺＴ膜１２２が機械的なダメージを受けないようになっている。
【００５１】
保護部材として特に制限はないが、材質としてＳi、ガラス、ステンレス、樹脂などのものを使うことができる。保護部材とセンサ部はレジスト、接着剤、発泡テープなどを用いて貼り合わす事ができる。
【００５２】
（工程４）：表面保護部材１５０によってＰＺＴ膜１２２を覆い、ＰＺＴ膜１２２を保護した状態でＳｉウエハ１１２の裏面側から、ボッシュ法にてシリコンを表面側のＳｉＯ２膜１３０までエッチングする（図４（ｅ））。エンチングによって除去形成された凹部１１４の空間がＰＺＴ膜１２２の変位を許容する空間（空隙部）となる。凹部１１４の周囲に存在するＳｉ層によってＰＺＴ膜１２２の下面が固定（拘束）され、凹部１１４が固定され、ダイアフラム構造が形成される。
【００５３】
（工程５）：その後、表面保護部材１５０を除去し、ダイアフラム型センサ１１０を完成させる。
【００５４】
除去方法としては、特にこだわらないが、溶剤によって接着部の部材を溶かしたり、機械的に剥離させたり、熱などによって剥離させたりすることができる。
【００５５】
なお、工程４において、さらに凹部１１４のＳｉＯ２膜を除去して、図３の構造を作製してもよい。
【００５６】
＜比較例＞
比較のために、図５に示すダイアフラム型センサを作成した。図５中、図４（ｅ）の実施例に係るセンサと同一又は類似する要素には同一の符号を付した。図５の比較例は、ダイアフラム部におけるＰＺＴ膜１２２の下面（裏面）側に、振動板１６５に相当する部材が設けられている。このような構成の製造方法としては、例えば、図４で説明した工程４（図４（ｄ））に代えて、振動板１６５に相当するシリコン層を残してエッチングを停止させることにより、形成することができる。或いはまた、基板としてＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を用い、支持基板層に凹部１１４を形成し、活性層を振動板１６５として利用する構成も可能である。
【００５７】
＜比較評価１＞
図５に示した構造において、ダイアフラム部における圧電素子（圧電体と電極）以外の厚み（図５の符号ｔ）を変えて、２つの例（実施例２、比較例１）を作成し、実施例１（図４（ｅ））、実施例２及び比較例１についてセンサ感度を比較評価して、その結果を表１にまとめた。
【００５８】
【表１】
【００５９】
圧電体及び電極を除いたダイアフラム部の厚み（ｔ）が１μｍを超えると、センサの感度が低下する。
【００６０】
＜比較評価２＞
また、別の比較例として、図１に示したセンサ構造におけるＰＺＴ膜の厚みを１μｍとした構成を作成した（比較例２）。この比較例２と実施例とを対比して表にまとめた。
【００６１】
【表２】
【００６２】
＜比較評価３＞
図１に示したセンサ構造おけるＰＺＴ膜の形成に際して、Ｐｂ量を変えて、ＰＺＴ膜を形成した場合の実施例３、比較例３〜４を作成した。この比較例３〜４と実施例１とを対比して表にまとめた。
【００６３】
【表３】
【００６４】
＜比較評価４＞
図１におけるＰＺＴ膜の形成に際して、Ｎｂの添加量を変えて、ＰＺＴ膜を形成した場合の実施例４〜７と比較例５を作成した。この比較例５と各実施例とを対比して表にまとめた。
【００６５】
【表４】
【００６６】
＜比較評価５＞
図４の実施例で記載した表面保護部材１５０を用いずに、センサを作製すると、途中で破損され、歩留まりが悪かった。
【００６７】
＜ダイアフラム部の厚みとセンサ性能、共振周波数の関係について＞
図６及び図７に示す矩形のダイアフラム構造をモデルとし、ムラタソフトウエア（株）のシミュレーションソフトを用いて計算を行った。図６は斜視図、図７は平面図である。ダイアフラムのサイズを２００ミクロン角とし（矩形凹部１４の一辺が２００μｍの正方形）、振動板の厚みを変化させて、ダイアフラムの共振周波数と、出力電圧を計算した。図８にその結果を示す。
【００６８】
図８中の太線で示した曲線（■を繋いだ線）は、振動板の厚みに対する出力電圧の変化を示す。図８中の細線で示した曲線（◆を繋いだ線）は、振動板の厚みに対する共振周波数の変化を示す。
【００６９】
図８より、振動板の厚みを薄くするほど、大きな出力電圧が得られ、Ｓ／Ｎの大きな信号が得られることがわかる。また、ダイアフラムの共振周波数は、振動板厚みが薄くなるほど小さくなる。
【００７０】
感度は、振動板が薄い方が好ましく、電極と圧電体を除くダイアフラム部の厚みは１μｍ以下が好ましい。その理由として、出力電圧が大きくなることが上げられる。振動板厚が１μｍを超えると出力電圧の低下が徐々に著しくなる。また、共振周波数に注目すると、振動板が薄いほど共振周波数は小さくなるので、例えば、振動板厚をゼロとしたときに、共振周波数を大きくするためには、ダイアフラムのサイズを小さくする必要がある。ダイアフラムサイズを小さくすると、製造時の１ウエハ当りの取れ数が増大し、低コスト化につながる。なお、共振周波数と振動板の厚みは互いに関連する設計パラメータであるため、現実には様々な解（組合せ）が存在するが、出力電圧を大きくし、かつ、小型化するという方向性としては、ダイアフラムの厚みを薄くすることが必須となる。
【００７１】
既述のとおり、電極と圧電体を除くダイアフラム部の厚みは、より小さい方が好ましい。図４で説明した製造方法であれば、電極と圧電体を除くダイアフラム部の厚みは、ゼロか、若しくは、せいぜい１００ｎｍオーダの熱酸化膜（ＳｉＯ２層）３０となるため、すべての領域で十分効果を発揮する。また、１μｍ未満の厚みのＳｉＯ２層で保護しながら製造することができ、大きな利点がある。
【００７２】
＜ダイアフラムの面形状について＞
上述の実施形態では、ダイアフラムの形状がフラットな形状（平面型の面形状）である場合を例示したが、ダイアフラムの形態はこれに限らず、初期形状として上に凸のドーム型形状や、下に凸の凹面型形状などであってもよい。
【００７３】
＜圧電体膜の組成について＞
本発明の実施形態に用いる圧電材料について説明する。本例で用いる圧電体は、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３、俗称「ＰＺＴ」と呼ばれるもの）をベースとしている。ＰＺＴでは、Ｚｒ、Ｔｉはいずれも４価のイオンであり、ＰｂＴｉＯ３からＰｂＺｒＯ３まで、Ｔｉ：Ｚｒは全ての濃度比率を取り得る。このうち、ＰｂＴｉＯ３の結晶系である正方晶、ＰｂＺｒＯ３の結晶系である菱面体のちょうど間の組成であるＺｒ：Ｔｉが５２：４８、または５３：４７である組成が特に圧電特性が良好であり、この特性がアクチュエータ用圧電体として使われている。この組成はＭＰＢ組成と呼ばれる。
【００７４】
ドーパントを何も添加しない真性ＰＺＴに対し、Ｎｂ５＋などの４価よりも価数の大きいイオンを微量添加して圧電特性を向上させたものを変性ＰＺＴと言う。本実施例で用いるＰＺＴでは、１０％程度以上のＮｂ添加が可能であり、高特性なＰＺＴ（変性ＰＺＴ）が得られる。例えば、ｄ３１＝２００〜３００ｐｍ／Ｖという高い圧電性が得られる。
【００７５】
本発明の実施に用いることができる圧電体膜として、下記一般式（Ｐ）で表される１種又は複数種のペロブスカイト型酸化物からなる圧電体膜（不可避不純物を含んでいてもよい。）が挙げられる。かかる圧電体膜は、プラズマを用いるスパッタリング法により基板上に成膜することができる。この圧電体膜（一般式（Ｐ））は、絶対値の小さい抗電界の極性が負であり、正電界側にＰｒ−Ｅヒステリシスが偏った圧電特性を有している。
【００７６】
一般式ＡａＢｂＯ３・・・（Ｐ）
式中、ＡはＰｂを主成分とするＡサイト元素、ＢはＢサイトの元素であり、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｍｎ，Ｓｃ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｇａ，Ｚｎ，Ｃｄ，Ｆｅ，及びＮｉからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素、Ｏは酸素であるａ≧１．０かつｂ＝１．０である場合が標準であるが、これらの数値はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で１．０からずれてもよい。
【００７７】
上記一般式（Ｐ）で表されるペロブスカイト型酸化物としては、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、ジルコニウム酸鉛、ニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛等が挙げられる。圧電体膜は、これら上記一般式（Ｐ）で表されるペロブスカイト型酸化物の混晶系であってもよい。
【００７８】
また、本発明の実施に際しては、特に、下記一般式（Ｐ−１）で表される１種又は複数種のペロブスカイト型酸化物からなる（不可避不純物を含んでいてもよい。）圧電体膜がより好ましい。
【００７９】
Ｐｂａ（Ｚｒｂ１Ｔｉｂ２Ｘｂ３）Ｏ３・・・（Ｐ−１）
式（Ｐ−１）中、ＸはＶ族及びＶＩ族の元素群より選ばれた少なくとも１種の金属元素である。ａ＞０、ｂ１＞０、ｂ２＞０、ｂ３≧０。ａ≧１．０であり、かつｂ１＋ｂ２＋ｂ３＝１．０である場合が標準であるが、これらの数値はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で１．０からずれてもよい。
【００８０】
上記一般式（Ｐ−１）で表されるペロブスカイト型酸化物は、ｂ３＝０のときチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）であり、ｂ３＞０のとき、ＰＺＴのＢサイトの一部をＶ族及びＶＩ族の元素群より選ばれた少なくとも１種の金属元素であるＸで置換した酸化物である。
【００８１】
Ｘは、ＶＡ族、ＶＢ族、ＶＩＡ族、及びＶＩＢ族のいずれの金属元素でもよく、Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｍｏ，及びＷからなる群より選ばれた少なくとも１種であることが好ましい。
【００８２】
＜他の応用例＞
上述した実施形態では、超音波センサへの適用を例示したが、本発明の適用範囲はこれに限らず、超音波探触子や焦電センサなどにも用いることができる。
【符号の説明】
【００８３】
１０…ダイアフラム型センサ、１２…基板、１４…凹部、２０…下部電極、２２…圧電体膜、２４…上部電極、２６…圧電素子、２８…変位可能部位、３０…熱酸化膜、１１０…ダイアフラム型センサ、１１２…Ｓｉウエハ、１１４…凹部、１２０…下部電極、１２２…ＰＺＴ膜、１２４…上部電極、１３０…熱酸化膜、１５０…表面保護部材
【技術分野】
【０００１】
本発明は圧電体薄膜素子に係り、特に圧電体薄膜を利用したダイアフラム型の薄膜素子、及びこれを用いた超音波センサ並びにその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、シリコン基板上に形成されるカンチレバー方式の超音波センサが開示されている。この超音波センサは、カンチレバーの基端部がシリコン基板の凹部の二辺と連結されており、基端部にかかる応力の分散により、カンチレバーの破損防止、歩留まり向上が図られている。
【０００３】
特許文献２には、シリコン基板上にダイアフラム構造の超音波受信素子を複数配置してなる圧電型超音波センサが開示されている。この構造は、超音波受信部の圧電体膜の全方位（四辺）が基板に固定されているため、超音波を受信して圧電体膜に圧力が加わったときに、大きな変位が得られにくく、圧電体膜から大きな電圧（検知信号）を得ることが難しい。そのため、通常は、ダイアフラムのサイズ（面積）を大きくすることで、感度を確保する必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許３２７２１４１号公報
【特許文献２】特許４２２８８２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一般に、ダイアフラム型センサの感度は、ダイアフラムの面積の２乗に比例し、ダイアフラムの厚みの３乗に反比例する。矩形ダイアフラムの場合、以下の関係式で表される。
【０００６】
（感度）∝（ダイアフラムの１辺）４／（ダイアフラムの厚み）３
感度をアップさせるためにダイアフラムの１辺を大きくすると、撓み（変位）が大きくなり、感度は向上するが、素子のサイズが大きくなってしまう。また、高感度化するためには、ダイアフラムの厚みを低減させることが必要となるが、単にダイアフラムを薄くするだけでは、クラック等の発生の問題があり、信頼性や製造歩留まりが低下する。
【０００７】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、高感度で、かつ、サイズの小さい圧電体薄膜素子及びこれを用いた超音波センサ、並びにその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記目的を達成するために以下の発明態様を提供する。
【０００９】
（発明１）：発明１に係る圧電体薄膜素子は、圧電体膜と、前記圧電体膜を挟んで該圧電体膜の両側に配設される対向電極と、前記対向電極を備えた前記圧電体膜を支持する基板と、前記基板上に設けられた前記圧電体膜の変位可能部位に対応して、前記基板の当該対応位置に形成された凹部と、を備え、前記変位可能部位の前記対向電極及び前記圧電体膜を含んで構成されるダイアフラム部から前記対向電極及び前記圧電体膜を除いた残部分の厚みが０以上１μｍ以下であることを特徴とする。
【００１０】
本発明によれば、ダイアフラム型の圧電体薄膜素子において、基板に形成された凹部に対応した変位可能な膜部分（ダイアフラム部）について、対向電極及び圧電体膜以外の膜要素が存在しないか（残部分の厚みがゼロ）、或いは、実質的に変位性能に影響しない程度の厚み（１μｍ以下）の層しか存在しない。
【００１１】
つまり、従来、圧電体膜を保持する機能を有した「振動板」に相当する部材要素が存在しない。したがって、本発明の圧電体膜は、その動き（変位）が阻害・抑制されることなく、大きな変位が得られる。これにより、大きな出力電圧を得ることができ、感度の高い、小サイズのセンサを実現できる。
【００１２】
（発明２）：発明２に係る圧電体薄膜素子は、発明１において、前記ダイアフラム部は、実質的に前記圧電体膜と前記対向電極のみで構成されている自立膜であることを特徴とする。
【００１３】
「実質的に」とは、圧電体膜の変位を阻害・抑制する影響力が殆どないような膜要素の有無は問題にしないという意味である。例えば、製造工程においてエッチングストッパー層として利用した酸化膜の残存部、或いは、対向電極の上に島状のパターンで付加された膜片などは、振動板として実質機能しない。したがって、これら酸化膜や膜片が存在していても、実質的に自立膜であると解釈する。
【００１４】
（発明３）：発明３に係る圧電体薄膜素子は、発明１において、前記残部分は、前記基板の材料の熱酸化膜であることを特徴とする。
【００１５】
（発明４）：発明４に係る圧電体薄膜素子は、発明１乃至３のいずれか１項において、
前記残部分の有無による前記圧電体膜の変位量の差が５％以下であることを特徴とする。
【００１６】
ダイアフラム部が、圧電体膜と対向電極のみで構成された自立膜である場合（残存部が無い場合）に、ある規定の圧力に対する変位量を基準変位量とし、圧電体膜及び対向電極以外の要素が存在する場合（残部分が有る場合）の同規定圧力に対する変位量を比較したとき、その変位量の差が基準変位量に対して５％以下である場合には、実質的に影響しない程度であるとして取り扱うことができる。
【００１７】
（発明５）：発明５に係る圧電体薄膜素子は、発明１乃至４のいずれか１項において、前記圧電体膜の厚みが１μｍを超えるものであることを特徴とする。
【００１８】
圧電体膜が薄すぎると、クラックが発生しやすくなるため、１μmを超える厚みであることが好ましい。より好ましくは２μm以上、さらに好ましくは３μm以上である。
【００１９】
（発明６）：発明６に係る圧電体薄膜素子は、発明１乃至５のいずれか１項において、前記圧電体膜がＰＺＴ系のペロブスカイト型酸化物であり、ＡＢＯ３型の結晶構造におけるＡサイトに入る材料の組成比が１．０以上、１．１未満であることを特徴とする。
【００２０】
Ａサイトに入る材料（例えば主としてＰｂであるが、ＢｉなどＡサイトに置換されている材料も含む）が少ないと、圧電体膜の表面が荒れてクラックが入りやすい傾向にある。
【００２１】
その一方、Ａサイトの材料のモル比が１．１以上あると、湿度等によって特性が変化してしまう可能性がある。よって、発明６に記載の条件が好ましい。
【００２２】
（発明７）：発明７に係る圧電体薄膜素子は、発明１乃至６のいずれか１項において、前記圧電体膜がＰＺＴ系のペロブスカイト型酸化物であり、Ｎｂを２％以上含むことを特徴とする。
【００２３】
Ｎｂ量が多くなると、圧電定数が大きくなる傾向にある。また、Ｎｂを添加することにより、Ｎｂを添加しないものと比較して材料のヤング率が下がるため、クラックが発生しに難くなる。
【００２４】
（発明８）：発明８に係る圧電体薄膜素子は、発明１乃至７のいずれか１項において、前記基板に複数の前記凹部が形成され、各凹部に対応した前記ダイアフラム部が複数形成されていることを特徴とする。
【００２５】
本発明の圧電体薄膜素子は、１つの基板に複数のダイアフラム構造をアレイ状に形成することができ、小型かつ高感度のアレイ型のセンサを実現することができる。
【００２６】
（発明９）：発明９は前記目的を達成する超音波センサを提供する。すなわち、発明９に係る超音波センサは、発明１乃至８のいずれか１項に記載の圧電体薄膜素子の前記変位可能部位に超音波を受け、前記圧電体膜の変位に応じて発生する電圧の信号を前記対向電極から得ることを特徴とする。
【００２７】
（発明１０）：発明１０は前記目的を達成する製造方法を提供する。すなわち、発明１０に係る圧電体薄膜素子の製造方法は、基板の第１面上に第１電極、圧電体膜及び第２電極を重ねて形成する工程と、前記第１電極、圧電体膜及び第２電極を形成した前記基板の前記第１面側の上を覆う表面保護部材を前記基板に接合する工程と、前記表面保護部材を接合した前記基板の前記第１面と反対側の第２面側から当該基板をエッチングして凹部を形成する工程と、前記凹部を形成した後に前記表面保護部材を除去する工程と、を含むことを特徴とする。
【００２８】
発明１０によれば、発明１乃至８の圧電体薄膜素子や発明９の超音波センサを製造することができる。特に、表面保護部材によって圧電体膜を機械的な衝撃から保護することができ、製造時の破損等を防止できるとともに、基板のハンドリング性が向上し、製造効率が高まる。なお、第１電極と第２電極は発明１等でいう「対向電極」に相当する。
【００２９】
（発明１１）：発明１１に係る圧電体薄膜素子の製造方法は、発明１０において、前記基板の第１面には熱酸化膜が形成されており、前記第１電極は前記熱酸化膜に重ねて形成され、前記エッチングの際に前記熱酸化膜がストッパー層となることを特徴とする。
【００３０】
（発明１２）：発明１２に係る圧電体薄膜素子の製造方法は、発明１１において、前記凹部に前記熱酸化膜が残されたダイアフラム構造を有する圧電体薄膜素子を得ることを特徴とする。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、小型かつ高感度な圧電体薄膜素子を提供することができる。また、本発明によれば、高感度でありながらサイズの小さい超音波センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施形態に係る圧電体薄膜素子を用いたダイアフラム型センサの断面図
【図２】図１の平面図
【図３】ダイアフラムが電極と圧電体のみからなる自立膜である構成例を示す断面図
【図４】ダイアフラム型センサの製造プロセスの説明図
【図５】比較例のセンサ構造を示す断面図
【図６】シミュレーションの計算に用いたダイアフラム構造の斜視図
【図７】図６の平面図
【図８】シミュレーションにより、振動板の厚みを変化させてダイアフラムの共振周波数と出力電圧を計算した結果を示すグラフ
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、添付図面に従って本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００３４】
図１は本発明の実施形態に係る圧電体薄膜素子を用いたダイアフラム型センサの断面図、図２はその平面図である。なお、図１は図２中の１−１線に沿う断面図となっている。ここでは、１つの素子要素のみを示したが、同構造の素子が基板上に複数個配列されたアレイ状のセンサが構成される。
【００３５】
＜センサの構造について＞
このダイアフラム型センサ１０は、基板１２の片側面（図１において上面、以下「表面」という場合がある。）に、下部電極２０、圧電体膜２２、上部電極２４が積層形成された構成を有する。圧電体膜２２を挟んで下部電極２０と上部電極２４とが対向して配置された構成により、圧電体膜２２の変位を電圧信号に変換する圧電素子２６が形成される。
【００３６】
一方、基板１２には、圧電素子２６が形成されている面と反対側の面（図１において下面、以下「裏面」という場合がある。）から当該基板１２の一部が除去されてなる凹部１４が形成されている。
【００３７】
本例の凹部１４は、平面視で略矩形（本例では正方形とした）であるが、矩形に限らず、他の多角形、円形、楕円形なども可能である。凹部１４の空隙部の位置に対応した圧電体膜２２の部分（符号２８）は、その下面が拘束されていない状態（非拘束）となり、変位可能な領域となる。符号２８で示した非拘束領域が「変位可能部位」に相当し、超音波センサとして超音波を受信する受信部要素となる。
【００３８】
下部電極２０は、基板１２上の複数の素子について一体的に繋がった共通電極として構成される。上部電極２４は、各素子の凹部１４に合わせて個別にパターニングされている。圧電体膜２２が変位すると、その歪み変形に応じて電圧が発生する。圧電体膜２２が図１の下方に撓むと、真ん中付近では圧縮方向に応力がかかり、端の方（拘束部に近い周辺部）では伸びる方向に応力がかかる。したがって、上部電極２４は、ダイアフラムの全面に形成するよりはむしろ、真ん中付近のみ、或いは、端の部分のみに設ける構成が好ましい。
【００３９】
本例（図１、図２）では、凹部１４の開口形状（ダイアフラムの平面形状）の中心部分に、その開口面積（ダイアフラムの面積）よりも小さい面積の上部電極２４が形成されている。なお、図１、図２では、配線のための引き出し電極等の図示は省略した。
【００４０】
本実施形態によるダイアフラム型センサ１０は、凹部１４に対応した変位可能部位２８において、圧電体膜２２の下面を保持するための振動板に相当する部材要素を有していない。図１において、下部電極２０の下面に形成されている符号３０で示した膜は、基板１２の熱酸化膜である。この熱酸化膜３０は、製造プロセスにおいて基板１２をエッチングして凹部１４を形成した際にエッチングストッパー層として用いられたものである。熱酸化膜３０の厚みは０．１μｍ（１００ｎｍ）程度であり、振動板として実質機能せず、圧電体膜２２の変位に殆ど影響しない。
【００４１】
圧電体膜２２の変位を阻害・抑制しないという観点から、圧電体膜２２と電極（２０，２４）を除いたダイアフラム部の厚み（「残部分」に相当）を１μｍ未満とする。好ましくは０．５μｍ以下、さらに好ましくは０．１μｍ以下、より好ましくは０「ゼロ」とする。
【００４２】
残部分の厚みが０「ゼロ」というのは、図３に示すように、ダイアフラムが電極（２０，２２）と圧電体膜２２のみの自立膜であることを意味している。図３に示した構成が最も好ましい。
【００４３】
また、圧電体膜２２は、クラック防止の観点から、厚みを１μｍよりも厚くすることが好ましい。
【００４４】
＜圧電体の物性について＞
圧電体膜２２は、ＰＺＴ系とし、Ｐｂ量を１．０以上、１．１未満とする。Ｐｂが少ないと膜の表面が荒れてクラックが入りやすいためのである。なお、Ｐｂが１．０以下であっても、Ｂｉ等のＡサイトに置換されている材料があればよい。また、Ｐｂが１．１以上あると、温度等によって特性が変化してしまう可能性があるため、１．１未満とすることが好ましい。
【００４５】
圧電体材料においてＰＺＴに少なくともＮｂが２％以上、より好ましくは５％以上、さらに好ましくは、１０％以上であることが好ましい。Ｎｂ量を増やすと、圧電定数が大きくなる。また、Ｎｂを添加することによってヤング率が下がり、クラックに対して強い膜となる。例えば、Ｎｂを添加しない材料のヤング率は７０〜９０ＧＰａであるのに対し、Ｎｂを添加することにより、５０ＧＰａ程度となる。
【００４６】
超音波センサとして好適なダイアフラム構造上の共振周波数を考慮すると、圧電体のヤング率が６０ＧＰａ以下であることが好ましい。
【００４７】
＜製造方法について＞
図４は本発明の実施形態に係る圧電体薄膜素子を用いたダイアフラム型センサの製造プロセスを示す図である。
【００４８】
（工程１）：基板表面に熱酸化膜（ＳｉＯ２膜）１３０が所定厚（例えば、１００ｎｍ）形成されたシリコン（Ｓｉ）ウエハ１１２を基板として用いた（図４（ａ））。
【００４９】
（工程２）：このＳｉウエハ１１２の片側面（図４において上面）に下部電極１２０としてＴｉ２０ｎｍとＩｒ１５０ｎｍを積層形成した。その後、当該下部電極１２０の上にＮｂを１０％添加したＰＺＴ膜１２２を５００度の成膜温度で形成した（図４（ｂ））。ＰＺＴ膜１２２の膜厚は３μｍとした。さらに、このＰＺＴ膜１２２２の上面に、上部電極１２４としてＰｔを形成し、所望の構造にパターニングした。上部電極１２４の膜厚は、下部電極１２０と同程度の膜厚とし、超音波受光部となるダイアフラム部の平面形状、並びに配列形態に合わせて上部電極１２４がパターニングされる。
【００５０】
（工程３）：次に、図４（ｃ）に示すように、ＰＺＴ膜１２２の上面に、表面保護部材１５０を貼り付けた。この表面保護部材１５０は、ＰＺＴ膜１２２の上面との間に空隙１５２を形成しつつ、ＰＺＴ膜１２２の上面を覆うキャップ状の構造を有する。表面保護部材１５０によってＰＺＴ膜１２２の上部を包囲することにより、後述のエッチング工程（図４（ｄ））の最中やエッチング後において、ＰＺＴ膜１２２が機械的なダメージを受けないようになっている。
【００５１】
保護部材として特に制限はないが、材質としてＳi、ガラス、ステンレス、樹脂などのものを使うことができる。保護部材とセンサ部はレジスト、接着剤、発泡テープなどを用いて貼り合わす事ができる。
【００５２】
（工程４）：表面保護部材１５０によってＰＺＴ膜１２２を覆い、ＰＺＴ膜１２２を保護した状態でＳｉウエハ１１２の裏面側から、ボッシュ法にてシリコンを表面側のＳｉＯ２膜１３０までエッチングする（図４（ｅ））。エンチングによって除去形成された凹部１１４の空間がＰＺＴ膜１２２の変位を許容する空間（空隙部）となる。凹部１１４の周囲に存在するＳｉ層によってＰＺＴ膜１２２の下面が固定（拘束）され、凹部１１４が固定され、ダイアフラム構造が形成される。
【００５３】
（工程５）：その後、表面保護部材１５０を除去し、ダイアフラム型センサ１１０を完成させる。
【００５４】
除去方法としては、特にこだわらないが、溶剤によって接着部の部材を溶かしたり、機械的に剥離させたり、熱などによって剥離させたりすることができる。
【００５５】
なお、工程４において、さらに凹部１１４のＳｉＯ２膜を除去して、図３の構造を作製してもよい。
【００５６】
＜比較例＞
比較のために、図５に示すダイアフラム型センサを作成した。図５中、図４（ｅ）の実施例に係るセンサと同一又は類似する要素には同一の符号を付した。図５の比較例は、ダイアフラム部におけるＰＺＴ膜１２２の下面（裏面）側に、振動板１６５に相当する部材が設けられている。このような構成の製造方法としては、例えば、図４で説明した工程４（図４（ｄ））に代えて、振動板１６５に相当するシリコン層を残してエッチングを停止させることにより、形成することができる。或いはまた、基板としてＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を用い、支持基板層に凹部１１４を形成し、活性層を振動板１６５として利用する構成も可能である。
【００５７】
＜比較評価１＞
図５に示した構造において、ダイアフラム部における圧電素子（圧電体と電極）以外の厚み（図５の符号ｔ）を変えて、２つの例（実施例２、比較例１）を作成し、実施例１（図４（ｅ））、実施例２及び比較例１についてセンサ感度を比較評価して、その結果を表１にまとめた。
【００５８】
【表１】
【００５９】
圧電体及び電極を除いたダイアフラム部の厚み（ｔ）が１μｍを超えると、センサの感度が低下する。
【００６０】
＜比較評価２＞
また、別の比較例として、図１に示したセンサ構造におけるＰＺＴ膜の厚みを１μｍとした構成を作成した（比較例２）。この比較例２と実施例とを対比して表にまとめた。
【００６１】
【表２】
【００６２】
＜比較評価３＞
図１に示したセンサ構造おけるＰＺＴ膜の形成に際して、Ｐｂ量を変えて、ＰＺＴ膜を形成した場合の実施例３、比較例３〜４を作成した。この比較例３〜４と実施例１とを対比して表にまとめた。
【００６３】
【表３】
【００６４】
＜比較評価４＞
図１におけるＰＺＴ膜の形成に際して、Ｎｂの添加量を変えて、ＰＺＴ膜を形成した場合の実施例４〜７と比較例５を作成した。この比較例５と各実施例とを対比して表にまとめた。
【００６５】
【表４】
【００６６】
＜比較評価５＞
図４の実施例で記載した表面保護部材１５０を用いずに、センサを作製すると、途中で破損され、歩留まりが悪かった。
【００６７】
＜ダイアフラム部の厚みとセンサ性能、共振周波数の関係について＞
図６及び図７に示す矩形のダイアフラム構造をモデルとし、ムラタソフトウエア（株）のシミュレーションソフトを用いて計算を行った。図６は斜視図、図７は平面図である。ダイアフラムのサイズを２００ミクロン角とし（矩形凹部１４の一辺が２００μｍの正方形）、振動板の厚みを変化させて、ダイアフラムの共振周波数と、出力電圧を計算した。図８にその結果を示す。
【００６８】
図８中の太線で示した曲線（■を繋いだ線）は、振動板の厚みに対する出力電圧の変化を示す。図８中の細線で示した曲線（◆を繋いだ線）は、振動板の厚みに対する共振周波数の変化を示す。
【００６９】
図８より、振動板の厚みを薄くするほど、大きな出力電圧が得られ、Ｓ／Ｎの大きな信号が得られることがわかる。また、ダイアフラムの共振周波数は、振動板厚みが薄くなるほど小さくなる。
【００７０】
感度は、振動板が薄い方が好ましく、電極と圧電体を除くダイアフラム部の厚みは１μｍ以下が好ましい。その理由として、出力電圧が大きくなることが上げられる。振動板厚が１μｍを超えると出力電圧の低下が徐々に著しくなる。また、共振周波数に注目すると、振動板が薄いほど共振周波数は小さくなるので、例えば、振動板厚をゼロとしたときに、共振周波数を大きくするためには、ダイアフラムのサイズを小さくする必要がある。ダイアフラムサイズを小さくすると、製造時の１ウエハ当りの取れ数が増大し、低コスト化につながる。なお、共振周波数と振動板の厚みは互いに関連する設計パラメータであるため、現実には様々な解（組合せ）が存在するが、出力電圧を大きくし、かつ、小型化するという方向性としては、ダイアフラムの厚みを薄くすることが必須となる。
【００７１】
既述のとおり、電極と圧電体を除くダイアフラム部の厚みは、より小さい方が好ましい。図４で説明した製造方法であれば、電極と圧電体を除くダイアフラム部の厚みは、ゼロか、若しくは、せいぜい１００ｎｍオーダの熱酸化膜（ＳｉＯ２層）３０となるため、すべての領域で十分効果を発揮する。また、１μｍ未満の厚みのＳｉＯ２層で保護しながら製造することができ、大きな利点がある。
【００７２】
＜ダイアフラムの面形状について＞
上述の実施形態では、ダイアフラムの形状がフラットな形状（平面型の面形状）である場合を例示したが、ダイアフラムの形態はこれに限らず、初期形状として上に凸のドーム型形状や、下に凸の凹面型形状などであってもよい。
【００７３】
＜圧電体膜の組成について＞
本発明の実施形態に用いる圧電材料について説明する。本例で用いる圧電体は、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３、俗称「ＰＺＴ」と呼ばれるもの）をベースとしている。ＰＺＴでは、Ｚｒ、Ｔｉはいずれも４価のイオンであり、ＰｂＴｉＯ３からＰｂＺｒＯ３まで、Ｔｉ：Ｚｒは全ての濃度比率を取り得る。このうち、ＰｂＴｉＯ３の結晶系である正方晶、ＰｂＺｒＯ３の結晶系である菱面体のちょうど間の組成であるＺｒ：Ｔｉが５２：４８、または５３：４７である組成が特に圧電特性が良好であり、この特性がアクチュエータ用圧電体として使われている。この組成はＭＰＢ組成と呼ばれる。
【００７４】
ドーパントを何も添加しない真性ＰＺＴに対し、Ｎｂ５＋などの４価よりも価数の大きいイオンを微量添加して圧電特性を向上させたものを変性ＰＺＴと言う。本実施例で用いるＰＺＴでは、１０％程度以上のＮｂ添加が可能であり、高特性なＰＺＴ（変性ＰＺＴ）が得られる。例えば、ｄ３１＝２００〜３００ｐｍ／Ｖという高い圧電性が得られる。
【００７５】
本発明の実施に用いることができる圧電体膜として、下記一般式（Ｐ）で表される１種又は複数種のペロブスカイト型酸化物からなる圧電体膜（不可避不純物を含んでいてもよい。）が挙げられる。かかる圧電体膜は、プラズマを用いるスパッタリング法により基板上に成膜することができる。この圧電体膜（一般式（Ｐ））は、絶対値の小さい抗電界の極性が負であり、正電界側にＰｒ−Ｅヒステリシスが偏った圧電特性を有している。
【００７６】
一般式ＡａＢｂＯ３・・・（Ｐ）
式中、ＡはＰｂを主成分とするＡサイト元素、ＢはＢサイトの元素であり、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｍｎ，Ｓｃ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｇａ，Ｚｎ，Ｃｄ，Ｆｅ，及びＮｉからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素、Ｏは酸素であるａ≧１．０かつｂ＝１．０である場合が標準であるが、これらの数値はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で１．０からずれてもよい。
【００７７】
上記一般式（Ｐ）で表されるペロブスカイト型酸化物としては、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、ジルコニウム酸鉛、ニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛等が挙げられる。圧電体膜は、これら上記一般式（Ｐ）で表されるペロブスカイト型酸化物の混晶系であってもよい。
【００７８】
また、本発明の実施に際しては、特に、下記一般式（Ｐ−１）で表される１種又は複数種のペロブスカイト型酸化物からなる（不可避不純物を含んでいてもよい。）圧電体膜がより好ましい。
【００７９】
Ｐｂａ（Ｚｒｂ１Ｔｉｂ２Ｘｂ３）Ｏ３・・・（Ｐ−１）
式（Ｐ−１）中、ＸはＶ族及びＶＩ族の元素群より選ばれた少なくとも１種の金属元素である。ａ＞０、ｂ１＞０、ｂ２＞０、ｂ３≧０。ａ≧１．０であり、かつｂ１＋ｂ２＋ｂ３＝１．０である場合が標準であるが、これらの数値はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で１．０からずれてもよい。
【００８０】
上記一般式（Ｐ−１）で表されるペロブスカイト型酸化物は、ｂ３＝０のときチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）であり、ｂ３＞０のとき、ＰＺＴのＢサイトの一部をＶ族及びＶＩ族の元素群より選ばれた少なくとも１種の金属元素であるＸで置換した酸化物である。
【００８１】
Ｘは、ＶＡ族、ＶＢ族、ＶＩＡ族、及びＶＩＢ族のいずれの金属元素でもよく、Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｍｏ，及びＷからなる群より選ばれた少なくとも１種であることが好ましい。
【００８２】
＜他の応用例＞
上述した実施形態では、超音波センサへの適用を例示したが、本発明の適用範囲はこれに限らず、超音波探触子や焦電センサなどにも用いることができる。
【符号の説明】
【００８３】
１０…ダイアフラム型センサ、１２…基板、１４…凹部、２０…下部電極、２２…圧電体膜、２４…上部電極、２６…圧電素子、２８…変位可能部位、３０…熱酸化膜、１１０…ダイアフラム型センサ、１１２…Ｓｉウエハ、１１４…凹部、１２０…下部電極、１２２…ＰＺＴ膜、１２４…上部電極、１３０…熱酸化膜、１５０…表面保護部材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電体膜と、
前記圧電体膜を挟んで該圧電体膜の両側に配設される対向電極と、
前記対向電極を備えた前記圧電体膜を支持する基板と、
前記基板上に設けられた前記圧電体膜の変位可能部位に対応して、前記基板の当該対応位置に形成された凹部と、
を備え、
前記変位可能部位の前記対向電極及び前記圧電体膜を含んで構成されるダイアフラム部から前記対向電極及び前記圧電体膜を除いた残部分の厚みが０以上１μｍ以下であることを特徴とする圧電体薄膜素子。
【請求項２】
請求項１において、
前記ダイアフラム部は、実質的に前記圧電体膜と前記対向電極のみで構成されている自立膜であることを特徴とする圧電体薄膜素子。
【請求項３】
請求項１において、
前記残部分は、前記基板の材料の熱酸化膜であることを特徴とする圧電体薄膜素子。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項において、
前記残部分の有無による前記圧電体膜の変位量の差が５％以下であることを特徴とする圧電体薄膜素子。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項において、
前記圧電体膜の厚みが１μｍを超えるものであることを特徴とする圧電体薄膜素子。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項において、
前記圧電体膜がＰＺＴ系のペロブスカイト型酸化物であり、ＡＢＯ３型の結晶構造におけるＡサイトに入る材料の組成比が１．０以上、１．１未満であることを特徴とする圧電体薄膜素子。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか１項において、
前記圧電体膜がＰＺＴ系のペロブスカイト型酸化物であり、Ｎｂを２％以上含むことを特徴とする圧電体薄膜素子。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか１項において、
前記基板に複数の前記凹部が形成され、各凹部に対応した前記ダイアフラム部が複数形成されていることを特徴とする圧電体薄膜素子。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか１項に記載の圧電体薄膜素子の前記変位可能部位に超音波を受け、前記圧電体膜の変位に応じて発生する電圧の信号を前記対向電極から得ることを特徴とする超音波センサ。
【請求項１０】
基板の第１面上に第１電極、圧電体膜及び第２電極を重ねて形成する工程と、
前記第１電極、圧電体膜及び第２電極を形成した前記基板の前記第１面側の上を覆う表面保護部材を前記基板に接合する工程と、
前記表面保護部材を接合した前記基板の前記第１面と反対側の第２面側から当該基板をエッチングして凹部を形成する工程と、
前記凹部を形成した後に前記表面保護部材を除去する工程と、
を含むことを特徴とする圧電体薄膜素子の製造方法。
【請求項１１】
請求項１０において、
前記基板の第１面には熱酸化膜が形成されており、
前記第１電極は前記熱酸化膜に重ねて形成され、
前記エッチングの際に前記熱酸化膜がストッパー層となることを特徴とする圧電体薄膜素子の製造方法。
【請求項１２】
請求項１１において、
前記凹部に前記熱酸化膜が残されたダイアフラム構造を有する圧電体薄膜素子を得ることを特徴とする圧電体薄膜素子の製造方法。
【請求項１】
圧電体膜と、
前記圧電体膜を挟んで該圧電体膜の両側に配設される対向電極と、
前記対向電極を備えた前記圧電体膜を支持する基板と、
前記基板上に設けられた前記圧電体膜の変位可能部位に対応して、前記基板の当該対応位置に形成された凹部と、
を備え、
前記変位可能部位の前記対向電極及び前記圧電体膜を含んで構成されるダイアフラム部から前記対向電極及び前記圧電体膜を除いた残部分の厚みが０以上１μｍ以下であることを特徴とする圧電体薄膜素子。
【請求項２】
請求項１において、
前記ダイアフラム部は、実質的に前記圧電体膜と前記対向電極のみで構成されている自立膜であることを特徴とする圧電体薄膜素子。
【請求項３】
請求項１において、
前記残部分は、前記基板の材料の熱酸化膜であることを特徴とする圧電体薄膜素子。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項において、
前記残部分の有無による前記圧電体膜の変位量の差が５％以下であることを特徴とする圧電体薄膜素子。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項において、
前記圧電体膜の厚みが１μｍを超えるものであることを特徴とする圧電体薄膜素子。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項において、
前記圧電体膜がＰＺＴ系のペロブスカイト型酸化物であり、ＡＢＯ３型の結晶構造におけるＡサイトに入る材料の組成比が１．０以上、１．１未満であることを特徴とする圧電体薄膜素子。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか１項において、
前記圧電体膜がＰＺＴ系のペロブスカイト型酸化物であり、Ｎｂを２％以上含むことを特徴とする圧電体薄膜素子。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか１項において、
前記基板に複数の前記凹部が形成され、各凹部に対応した前記ダイアフラム部が複数形成されていることを特徴とする圧電体薄膜素子。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか１項に記載の圧電体薄膜素子の前記変位可能部位に超音波を受け、前記圧電体膜の変位に応じて発生する電圧の信号を前記対向電極から得ることを特徴とする超音波センサ。
【請求項１０】
基板の第１面上に第１電極、圧電体膜及び第２電極を重ねて形成する工程と、
前記第１電極、圧電体膜及び第２電極を形成した前記基板の前記第１面側の上を覆う表面保護部材を前記基板に接合する工程と、
前記表面保護部材を接合した前記基板の前記第１面と反対側の第２面側から当該基板をエッチングして凹部を形成する工程と、
前記凹部を形成した後に前記表面保護部材を除去する工程と、
を含むことを特徴とする圧電体薄膜素子の製造方法。
【請求項１１】
請求項１０において、
前記基板の第１面には熱酸化膜が形成されており、
前記第１電極は前記熱酸化膜に重ねて形成され、
前記エッチングの際に前記熱酸化膜がストッパー層となることを特徴とする圧電体薄膜素子の製造方法。
【請求項１２】
請求項１１において、
前記凹部に前記熱酸化膜が残されたダイアフラム構造を有する圧電体薄膜素子を得ることを特徴とする圧電体薄膜素子の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−１０１５８（Ｐ２０１２−１０１５８Ａ）
【公開日】平成２４年１月１２日（２０１２．１．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１４５１０３（Ｐ２０１０−１４５１０３）
【出願日】平成２２年６月２５日（２０１０．６．２５）
【出願人】（３０６０３７３１１）富士フイルム株式会社 (25,513)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１月１２日（２０１２．１．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月２５日（２０１０．６．２５）
【出願人】（３０６０３７３１１）富士フイルム株式会社 (25,513)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]